Autoinducer-mediated regulation of rhamnolipid biosurfactant synthesis in Pseudomonas aeruginosa.

The opportunistic human pathogen Pseudomonas aeruginosa produces a variety of virulence factors, including exotoxin A, elastase, alkaline protease, alginate, phospholipases, and extracellular rhamnolipids. The previously characterized rhlABR gene cluster encodes a regulatory protein (RhlR) and a rhamnosyltransferase (RhlAB), both of which are required for rhamnolipid synthesis. Another gene, rhII, has now been identified downstream of the rhlABR gene cluster. The putative RhlI protein shares significant sequence similarity with bacterial autoinducer synthetases of the LuxI type. A P. aeruginosa rhlI mutant strain carrying a disrupted rhlI gene was unable to produce rhamnolipids and lacked rhamnosyltransferase activity. Rhamnolipid synthesis was restored by introducing a wild-type rhlI gene into such strains or, alternatively, by adding either the cell-free spent supernatant from a P. aeruginosa wild-type strain or synthetic N-acylhomoserine lactones. Half-maximal induction of rhamnolipid synthesis in the rhlI mutant strain required 0.5 microM N-butyrylhomoserine lactone or 10 microM N-(3-oxohexanoyl)homoserine lactone. The P. aeruginosa rhlA promoter was active in the heterologous host Pseudomonas putida when both the rhlR and rhlI genes were present or when the rhlR gene alone was supplied together with synthetic N-acylhomoserine lactones. The RhlR-RhlI regulatory system was found to be essential for the production of elastase as well, and cross-communication between the RhlR-RhlI rhamnolipid regulatory system and the LasR-LasI elastase regulatory system was demonstrated.

Ensayo y procedimiento para la evaluación de la biodegradabilidad rápida de aguas mediante Psuedomonas Putida

Ensayo y procedimiento para la evaluación de la biodegradabilidad rápida de aguas mediante Pseudomonas putida. La invención consiste en un nuevo kit y procedimiento de evaluación de la "biodegradabilidad rápida" de aguas contaminadas. El test se basa en el empleo de unas cápsulas que contienen una proporción adecuada de bacteria Pseudomonas putida liofilizada y sales minerales que se añaden al agua cuya biodegradabilidad desea evaluarse. Durante tres días de incubación a 30°C, se monitoriza la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y se calcula la eficiencia de biodegradabilidad al final del ensayo. Este test está dirigido al sector del tratamiento de efluentes acuosos, especialmente de origen industrial para realizar el seguimiento de la biodegradabilidad. El método resuelve los problemas de repetibilidad y tiempo de ensayo de los métodos tradicionales.

Stenosis triggers spread of helical Pseudomonas biofilms in cylindrical flow systems

Biofilms are multicellular bacterial structures that adhere to surfaces and often endow the bacterial population with tolerance to antibiotics and other environmental insults. Biofilms frequently colonize the tubing of medical devices through mechanisms that are poorly understood. Here we studied the helicoidal spread of Pseudomonas putida biofilms through cylindrical conduits of varied diameters in slow laminar flow regimes. Numerical simulations of such flows reveal vortical motion at stenoses and junctions, which enhances bacterial adhesion and fosters formation of filamentous structures. Formation of long, downstream-flowing bacterial threads that stem from narrowings and connections was detected experimentally, as predicted by our model. Accumulation of bacterial biomass makes the resulting filaments undergo a helical instability. These incipient helices then coarsened until constrained by the tubing walls, and spread along the whole tube length without obstructing the flow. A three-dimensional discrete filament model supports this coarsening mechanism and yields simulations of helix dynamics in accordance with our experimental observations. These findings describe an unanticipated mechanism for bacterial spreading in tubing networks which might be involved in some hospital-acquired infections and bacterial contamination of catheters.

Genetic diversity and plant-growth related features of Burkholderia spp. from sugarcane roots

Brazil is the largest sugarcane producer in the world, mainly due to the development of different management strategies. Recently, microbial-plant related studies revealed that bacterial isolates belonging to the genus Burkholderia are mainly associated with this plant and are responsible for a range of physiological activity. In this study, we properly evaluate the physiological activity and genetic diversity of endophytic and rhizospheric Burkholderia spp. isolates from sugarcane roots grown in the field in Brazil. In total, 39 isolates previously identified as Burkholderia spp. were firstly evaluated for the capability to fix nitrogen, produce siderophores, solubilise inorganic phosphates, produce indole-acetic acid and inhibit sugarcane phytopathogens in vitro. These results revealed that all isolates present at least two positive evaluated activities. Furthermore, a phylogenetic study was carried out using 16S rRNA and gyrB genes revealing that most of the isolates were affiliated with the Burkholderia cepacia complex. Hence, a clear separation given by endophytic or rhizospheric niche occupation was not observed. These results presented an overview about Burkholderia spp. isolates from sugarcane roots and supply information about the physiological activity and genetic diversity of this genus, given direction for further studies related to achieve more sustainable cultivation of sugarcane.

Bacterial stimulation of copper phytoaccumulation by bioaugmentation with rhizosphere bacteria

Copper contaminated areas pose environmental health risk to living organisms. Remediation processes are thus required for both crop production and industrial activities. This study employed bioaugmentation with copper resistant bacteria to improve phytoremediation of vineyard soils and copper mining waste contaminated with high copper concentrations. Oatmeal plant (Avena sativa L) was used for copper phytoextraction. Three copper resistant bacterial isolates from oatmeal rhizosphere (Pseudomonas putida A1 Stenotrophomonas maltophilia A2 and Acinetobacter calcoaceticus A6) were used for the stimulation of copper phytoextraction. Two long-term copper contaminated vineyard soils (Mollisol and Inceptisol) and copper mining waste from Southern Brazil were evaluated. Oatmeal plants substantially extracted copper from vineyard soils and copper mining waste. As much as 1549 mg of Cu kg(-1) dry mass was extracted from plants grown in Inceptisol soil. The vineyard Mollisol copper uptake (55 mg Cu kg(-1) of dry mass) in the shoots was significantly improved upon inoculation of oatmeal plants with isolate A2 (128 mg of Cu kg(-1) of shoot dry mass). Overall oatmeal plant biomass displayed higher potential of copper phytoextraction with inoculation of rhizosphere bacteria in vineyard soil to the extent that 404 and 327 g ha(-1) of copper removal were respectively observed in vineyard Mollisol bioaugmented with isolate A2 (S. maltophilia) and isolate A6 (A. calcoaceticus). Results suggest potential application of bacterial stimulation of phytoaccumulation of copper for biological removal of copper from contaminated areas. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Dissemination of bla(IMP-1)-carrying integron In86 among Klebsiella pneumoniae isolates harboring a new trimethoprim resistance gene dfr23

The genetic context of the bla(IMP-1) gene was evaluated in 9 Klebsiella pneumoniae isolates recovered from 2 hospitals in Sao Paulo, Brazil. All isolates harbored a copy of In86 carrying bla(Imp-1), aac(6`)-31, and aadAl. Eight strains from the same hospital also carried another class I integron harboring a new trimethoprim resistance gene (dfr23) that was chromosomally embedded. In86 was likely to be in a 30-kb nontransferable plasmid and was flanked upstream by a sequence identical to one identified in an IMP-1-producing Pseudomonas putida isolate. The bla(IMP-1)-carrying integron In86 was recently reported from nonfermentative bacilli isolated in Sao Paulo. These isolates appear to be the Source of this integron now acquired by K. pneumoniae strains from different hospitals in the same city. Metallo-beta-lactamase production is still rare among Enterobacteriaceae isolates in Brazil, but the acquisition of genetic structures carrying these mobile resistance determinants is worrisome and could lead to an increase in the prevalence of these phenotypes of resistance. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Cytochrome P450(cin) (CYP176A), isolation, expression, and characterization

Cytochromes P450 are members of a superfamily of hemoproteins involved in the oxidative metabolism of various physiologic and xenobiotic compounds in eukaryotes and prokaryotes. Studies on bacterial P450s, particularly those involved in monoterpene oxidation, have provided an integral contribution to our understanding of these proteins, away from the problems encountered with eukaryotic forms. We report here a novel cytochrome P450 (P450(cin), CYP176A1) purified from a strain of Citrobacter braakii that is capable of using cineole 1 as its sole source of carbon and energy. This enzyme has been purified to homogeneity and the amino acid sequences of three tryptic peptides determined. By using this information, a PCR-based cloning strategy was developed that allowed the isolation of a 4-kb DNA fragment containing the cytochrome P450(cin) gene (cinA). Sequencing revealed three open reading frames that were identified on the basis of sequence homology as a cytochrome P450, an NADPH-dependent flavodoxin/ferrodoxin reductase, and a flavodoxin. This arrangement suggests that P450(cin) may be the first isolated P450 to use a flavodoxin as its natural redox partner. Sequencing also identified the unprecedented substitution of a highly conserved, catalytically, important active site threonine with an asparagine residue. The P450 gene was subcloned and heterologously expressed in Escherichia coli at similar to2000 nmol/liter of original culture, and purification was achieved by standard protocols. Postulating the native E. coli flavodoxin/flavodoxin reductase system might mimic the natural redox partners of P450,in, it was expressed in E. coli in the presence of cineole 1. A product was formed in vivo that was tentatively identified by gas chromatography-mass spectrometry as 2-hydroxycineole 2. Examination of P450(cin) by UV-visible spectroscopy revealed typical spectra characteristic of P450s, a high affinity for cineole 1 (K-D = 0.7 mum), and a large spin state change of the heme iron associated with binding of cineole 1. These facts support the hypothesis that cineole 1 is the natural substrate for this enzyme and that P450(cin) catalyzes the initial monooxygenation of cineole 1 biodegradation. This constitutes the first characterization of an enzyme involved in this pathway.

Biodegradação enzimática de aminas aromáticas tóxicas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

Transport mechanism in ionic liquid membranes and the study of thiomersal biodegradation

The initial goal of this work was the development of a supported liquid membrane (SLM) bioreactor for the remediation of vaccine production effluents contaminated with a highly toxic organomercurial – thiomersal. Therefore, two main aspects were focused on: 1) the development of a stable supported liquid membrane – using room temperature ionic liquids (RTILs) – for the selective transport of thiomersal from the wastewater to a biological compartment, 2) study of the biodegradation kinetics of thiomersal to metallic mercury by a Pseudomonas putida strain. The first part of the work focused on the evaluation of the physicochemical properties of ionic liquids and on the SLMs’ operational stability. The results obtained showed that, although it is possible to obtain a SLM with a high stability, water possesses nonnegligible solubility in the RTILs studied. The formation of water clusters inside the hydrophobic ionic liquid was identified and found to regulate the transport of water and small ions. In practical terms, this meant that, although it was possible to transport thiomersal from the vaccine effluent to the biological compartment, complete isolation of the microbial culture could not be guaranteed and the membrane might ultimately be permeable to other species present in the aqueous vaccine wastewater. It was therefore decided not to operate the initially targeted integrated system but, instead, the biological system by itself. Additionally, attention was given to the development of a thorough understanding of the transport mechanisms involved in the solubilisation and transport of water through supported liquid membranes with RTILs as well as to the evaluation of the effect of water uptake by the SLM in the transport mechanisms of water-soluble solutes and its effect on SLM performance. The results obtained highlighted the determinant role played by water – solubilised inside the ionic liquids – on the transport mechanism. It became clear that the transport mechanism of water and water-soluble solutes through SLMs with [CnMIM][PF6] RTILs was regulated by the dynamics of water clusters inside the RTIL, rather than by molecular diffusion through the bulk of the ionic liquid. Although the stability tests vi performed showed that there were no significant losses of organic phase from the membrane pores, the formation of water clusters inside the ionic liquid, which constitute new, non-selective environments for solute transport, leads to a clear deterioration of SLM performance and selectivity. Nevertheless, electrical impedance spectroscopy characterisation of the SLMs showed that the formation of water clusters did not seem to have a detrimental effect on the SLMs’ electrical characteristics and highlighted the potential of using this type of membranes in electrochemical applications with low resistance requirements. The second part of the work studied the kinetics of thiomersal degradation by a pure culture of P. putida spi3 strain, in batch culture and using a synthe tic wastewater. A continuous ly stirred tank reactor fed with the synthetic wastewater was also operated and the bioreactor’s performance and robustness, when exposed to thiomersal shock loads, were evaluated. Finally, a bioreactor for the biological treatment of a real va ccine production effluent was set up and operated at different dilution rates. Thus it was possible to treat a real thiomersal-contaminated effluent, lowering the outlet mercury concentration to values below the European limit for mercury effluent discharges.

Prevalência da microbiota no trato digestivo de fêmeas de Lutzomyia longipalpis (Lutz & Neiva, 1912) (Diptera: Psychodidae) provenientes do campo

No presente trabalho foram dissecados o trato digestivo de 245 fêmeas de Lutzomyia longipalpis originários da Gruta da Lapinha, Município de Lagoa Santa, MG, formando 7 grupos de 35 flebotomíneos. Das 8 espécies de bactérias isoladas houve uma predominância de bactérias Gram negativas (BGN) pertencentes ao grupo de não fermentadoras de açúcar das seguintes espécies: Acinetobacter lowffii, Stenotrophomonas maltophhilia, Pseudomonas putida e Flavimonas orizihabitans. No grupo das fermentadoras tivemos: Enterobacter cloacae e Klebsiella ozaenae. No grupo dos Gram positivos foram identificados Bacillus thuringiensis e Staphylococcus spp.

Hydrocarbonoclastic bacteria: from bioremediation to bioenergy feedstock

Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica.

Vermiculite bio-barriers for Cu and Zn remediation: an eco-friendly approach for freshwater and sediments protection

The increase in heavy metal contamination in freshwater systems causes serious environmental problems in most industrialized countries, and the effort to find ecofriendly techniques for reducing water and sediment contamination is fundamental for environmental protection. Permeable barriers made of natural clays can be used as low-cost and eco-friendly materials for adsorbing heavy metals from water solution and thus reducing the sediment contamination. This study discusses the application of permeable barriers made of vermiculite clay for heavy metals remediation at the interface between water and sediments and investigates the possibility to increase their efficiency by loading the vermiculite surface with a microbial biofilm of Pseudomonas putida, which is well known to be a heavy metal accumulator. Some batch assays were performed to verify the uptake capacity of two systems and their adsorption kinetics, and the results indicated that the vermiculite bio-barrier system had a higher removal capacity than the vermiculite barrier (?34.4 and 22.8 % for Cu and Zn, respectively). Moreover, the presence of P. putida biofilm strongly contributed to fasten the kinetics of metals adsorption onto vermiculite sheets. In open-system conditions, the presence of a vermiculite barrier at the interface between water and sediment could reduce the sediment contamination up to 20 and 23 % for Cu and Zn, respectively, highlighting the efficiency of these eco-friendly materials for environmental applications. Nevertheless, the contribution of microbial biofilm in open-system setup should be optimized, and some important considerations about biofilm attachment in a continuous-flow system have been discussed.

A New Large-DNA-Fragment Delivery System Based on Integrase Activity from an Integrative and Conjugative Element.

During the past few decades, numerous plasmid vectors have been developed for cloning, gene expression analysis, and genetic engineering. Cloning procedures typically rely on PCR amplification, DNA fragment restriction digestion, recovery, and ligation, but increasingly, procedures are being developed to assemble large synthetic DNAs. In this study, we developed a new gene delivery system using the integrase activity of an integrative and conjugative element (ICE). The advantage of the integrase-based delivery is that it can stably introduce a large DNA fragment (at least 75 kb) into one or more specific sites (the gene for glycine-accepting tRNA) on a target chromosome. Integrase recombination activity in Escherichia coli is kept low by using a synthetic hybrid promoter, which, however, is unleashed in the final target host, forcing the integration of the construct. Upon integration, the system is again silenced. Two variants with different genetic features were produced, one in the form of a cloning vector in E. coli and the other as a mini-transposable element by which large DNA constructs assembled in E. coli can be tagged with the integrase gene. We confirmed that the system could successfully introduce cosmid and bacterial artificial chromosome (BAC) DNAs from E. coli into the chromosome of Pseudomonas putida in a site-specific manner. The integrase delivery system works in concert with existing vector systems and could thus be a powerful tool for synthetic constructions of new metabolic pathways in a variety of host bacteria.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Design of new promoters and of a dual-bioreporter based on cross-activation by the two regulatory proteins XylR and HbpR.

The HbpR protein is the sigma54-dependent transcription activator for 2-hydroxybiphenyl degradation in Pseudomonas azelaica. The ability of HbpR and XylR, which share 35% amino acid sequence identity, to cross-activate the PhbpC and Pu promoters was investigated by determining HbpR- or XylR-mediated luciferase expression and by DNA binding assays. XylR measurably activated the PhbpC promoter in the presence of the effector m-xylene, both in Escherichia coli and Pseudomonas putida. HbpR weakly stimulated the Pu promoter in E. coli but not in P. azelaica. Poor HbpR-dependent activation from Pu was caused by a weak binding to the operator region. To create promoters efficiently activated by both regulators, the HbpR binding sites on PhbpC were gradually changed into the XylR binding sites of Pu by site-directed mutagenesis. Inducible luciferase expression from mutated promoters was tested in E. coli on a two plasmid system, and from mono copy gene fusions in P. azelaica and P. putida. Some mutants were efficiently activated by both HbpR and XylR, showing that promoters can be created which are permissive for both regulators. Others achieved a higher XylR-dependent transcription than from Pu itself. Mutants were also obtained which displayed a tenfold lower uninduced expression level by HbpR than the wild-type PhbpC, while keeping the same maximal induction level. On the basis of these results, a dual-responsive bioreporter strain of P. azelaica was created, containing both XylR and HbpR, and activating luciferase expression from the same single promoter independently with m-xylene and 2-hydroxybiphenyl.